风电场噪声问题已成为目前业主除了发电量以外第二位主要关心的问题，在某些距离居民区非常近的风电场，噪声问题甚至已超越发电量成为项目可行性的第一制约因素。风电场噪声不是单纯由机组噪声水平决定的，风电场噪声和机组噪声水平、项目现场地形和环境因素、机位点选址和敏感点位置的关系都非常密切。因此，准确的机组噪声水平、降噪技术和敏感点噪声水平评估对解决风电场噪声问题都是非常关键的。本文从风电机组噪声计算和降噪技术、风电场噪声计算和降噪技术两个方面来进行关键问题和学术及行业研究现状的阐述。图1为风电场噪声传播示意图。10.12050/are20210411.F001图1风电场噪声传播示意图Fig.1Schematic of noise propagation in wind farm1　风电机组噪声水平计算和降噪技术1.1　风电机组噪声评价和计算方法机组噪声水平的评价根据IEC61400-11测试标准[1]分为机组声功率级和音调两个评价参数。理论上来说，风电机组声功率级的主要噪声源应该只有叶片气动噪声，其他噪声源（如齿轮箱（双馈机组）噪声、冷却系统噪声、发电机、变流器、液压泵、偏航系统等）[2]应该在设计阶段通过低噪声优化设计或降噪技术保证其噪声水平不影响整机声功率级。因此在设计阶段各个子系统声源的噪声指标如何准确给出成为一个关键问题，不合理的噪声指标可能会导致后期某些子系统噪声增大整机声功率级。叶片气动噪声又分为翼型自噪声和来流湍流噪声[2]，兆瓦级机组的翼型自噪声主要为尾缘脱落涡噪声，这是由于叶片尾缘湍流边界层和尾缘尖点散射形成，当叶片尾缘厚度超过一定厚度时还会产生钝尾缘脱落涡噪声[3]。叶片气动噪声的频谱为宽频频谱，低频部分（约200Hz以下）主要来自于来流湍流噪声，中高频部分（约200Hz以上）主要来自于尾缘脱落涡噪声，峰值频率约在500Hz左右，不同的叶片设计，峰值频率会略有所变化。图2为典型风电叶片气动噪声1/3倍频程示意图。10.12050/are20210411.F002图2典型风电叶片气动噪声1/3倍频程示意图Fig. 2Schematic of typical 1/3 octave of aerodynamic noise of wind turbine blades由此可知叶片气动噪声的峰值频率和幅值主要是由尾缘脱落涡噪声决定的，尾缘脱落涡噪声和当地翼型入流速度的5次方正正比[3]，因此降低叶片气动噪声最简单直接的方法是降低额定转速。降低额定转速只针对叶片气动噪声有效，如整机声功率级的主要噪声源非叶片气动噪声、降低额定转速无法降低整机声功率级。风电机组的音调来源比较复杂，对于双馈机组来说齿轮箱噪声是一个重要的音调来源，另外还可能有各种冷却系统、变流器、偏航机构等的噪声引起音调问题[4]。一般来说机组如果存在某个单一频率的音调，当这个频率的声压级不超过整个频谱上的最大声压级时不会增加整机声功率级，但如果同时存在多个不同频率的音调（可能是同一个声源噪声的倍频谐波，也可能来自不同声源的噪声），就有可能导致整机声功率级的增加，需根据具体频谱分析对整机声功率级的影响。另外某些音调声源由于变频特性可能不会被判断为音调，但其噪声会在频谱上的某个集中频段显著高于周围频谱噪声，这种声源也会增加整机声功率级。整机声功率级的计算可以通过计算各子系统噪声源在IEC61400-11测点的声压叠加获得总声压级（由于各个子系统的测试标准和测点位置不同，需要统一转化到IEC61400-11测点的声压级），然后根据IEC61400-11标准中的声功率级计算公式获得整机声功率级。IEC61400-11为机组噪声测试标准，仅提供了机组声功率级和音调的测试分析方法，未提供机组声功率级和音调的限值标准，目前国际上对机组声功率级未有明确的限值要求。根据IEC61400-11标准测试获得的机组声功率级受环境影响较大，首先叶片气动噪声源本身就受测试环境空气密度、湍流度、控制策略等的影响，其次声音从声源传播到IEC测点的传播过程中又受到温度、相对湿度、大气压等环境参数的影响[5]。因此可能会出现同一机组的多次重复噪声测试或同一机型在不同项目现场/机位点的噪声测试结果都可能会不同，而且最大偏差可能会达到2dBA以上[5]。因此进行机组噪声水平计算的时候需要明确给出环境参数。IEC61400-11标准噪声测试的结果仅代表当次环境参数和地形条件下的机组声功率级。1.2　风电机组噪声降噪技术降低风电机组声功率级首先需要根据噪声频谱判断声功率级的主要噪声来源，如存在非叶片气动噪声的其他主要声源，需针对该噪声源的特性进行降噪处理，如齿轮箱（双馈机组）噪声可以通过减振隔声设施来降低，冷却系统噪声可以通过在出风口增加降噪管道来降低。这些降噪措施应尽量在机组设计阶段根据各子系统的噪声限值要求采用，机组设计完成后进行改造可能会面临空间结构限制等因素无法实现或降噪效果有限。合理的风电机组噪声设计应该是除了叶片气动噪声外无其他主要噪声源，叶片在设计阶段可以通过噪声优化设计来实现尽量低的气动噪声[6-7]。叶尖区设计要足够远地低于失速迎角，保证叶尖区在正常的湍流水平下不会出现局部失速。叶片气动噪声的降低虽然有很多研究工作[8]，但目前实际应用的只有锯齿尾缘（见图3）[9]和降低额定转速两种现场验证有效的降噪措施。10.12050/are20210411.F003图3风电叶片的锯齿尾缘示意图Fig.3Schematic of serrated trailing edges of wind turbine blades锯齿尾缘将叶片气动噪声频谱的峰值频率移动到高频区，一般带锯齿尾缘叶片的气动噪声峰值频率为600~1000Hz，因此温度和相对湿度对锯齿尾缘噪声的影响更大。锯齿尾缘对功率曲线的影响较小，是最佳的叶片气动噪声降噪技术，但降噪效果有限，一般为1~3dBA，锯齿尾缘在风电叶片上的广泛应用从2007年开始[10]至今已十多年，仍无法实现在锯齿设计阶段准确预测锯齿尾缘的现场实际降噪效果，这主要是由三方面的原因导致的：（1）准确的锯齿尾缘噪声计算模型依赖于声学风洞测试数据的验证，由于加了锯齿尾缘后的翼型噪声和声学风洞背景噪声非常接近，造成声学风洞测试的信噪比低，不同类型的声学风洞能准确捕捉的频率范围也不同，因而锯齿尾缘的声学风洞试验测试结果的不确定度较大[11]。（2）尾缘噪声来自于各种尺度的尾缘湍流涡，锯齿尾缘将涡尺度进一步减小，各种不同尺度的涡和声之间存在能量传递，这些跨尺度问题导致准确模拟全噪声频率段非常困难。另外，兆瓦级风电叶片叶尖运行雷诺数已达百万量级，目前受计算量限制分离涡模拟（DES）或大涡模拟（LES）的数值模拟大都停留在十万量级雷诺数，展向长度通常只有0.2~0.4倍弦长，忽略了展向三维流动的影响，数值模拟工况无法准确反映风电叶片的实际运行工况[12]。（3）1.1节中提到的现场的环境条件对声源和传播过程的影响在风洞测试和数值模拟中都无法体现。从风洞测试或数值模拟数据到现场实际测试环境条件下的数据转换这个关键的中间环节缺失，也会导致风洞测试或数值模拟的降噪效果最好的锯齿尾缘设计在实际现场测试中可能表现不佳。当锯齿尾缘的降噪效果仍无法满足机组声功率级要求时就需要降低额定转速，通过五次方定律可以获得不同转速下的机组声功率级。降低额定转速可以明显降低叶片气动噪声，但会带来发电量损失，现在大部分国内厂家采用直接限功率的模式来降低叶片气动噪声，发电量损失非常大。金风科技采用先进的控制技术，将降低后的转速作为额定转速重新根据硬件边界确定额定功率，设计相应的控制策略，最大限度地应用所有的硬件边界能力，实现发电量损失最小。当叶尖区某些翼型在接近失速迎角时整机声功率级会明显增高，此时可以采用变桨控制来降低叶片气动噪声，变桨控制降噪技术是否有效取决于叶片设计和现场叶片的运行工况，因此需要具体问题具体分析，非普适降噪技术。近年来很多研究者试图将主动降噪技术应用于风电行业，主动降噪技术在敏感点的封闭空间内布置大量噪声传感器通过实时采集声源信号实时输出反相位噪声信号的方法降低噪声[13]，该方法针对单频噪声在指定位置的降噪效果显著，针对宽频噪声的效果有限，且成本非常高，需要大量布置噪声传感器，且只在噪声传感器覆盖的有限区域的某些指定位置有降噪效果，在开放室外空间的应用受限。目前主动降噪技术还未有真正应用于风电行业的案例。2　风电场噪声计算和控制2.1　风电场噪声评价和计算方法风电场噪声评价是根据当地环评要求的声环境分区噪声限值要求，评估敏感点位置的声压级是否低于噪声限值要求。准确的风电场噪声计算依赖于准确的机组声功率级和准确的风电场噪声传播模型。目前的研究工作大都将此两部分割裂开来。传播模型研究者通常假设机组声功率级为一固定值，通过敏感点测试研究传播模型的参数影响或修正不同的传播模型[14]，这是导致风电场噪声传播模型研究工作进行了十多年仍无准确获得可靠的风电场噪声传播模型的主要原因之一。风电场噪声计算咨询机构大都通过模型参数设置使计算的敏感点声压级最大来减小后期实测敏感点噪声超标的风险，尽管这些参数设置和现场实际情况完全不同。合理的风电场设计应该是在早期选址阶段根据项目环境参数确定机组声功率，用风电场噪声传播模型通过发电量优化算法选择发电量和敏感点噪声都能达标的机位点[15]。但在很多实际情况下，机位点选址受限于风电场面积和容量等各种因素，某些敏感点位置在选址阶段就已知会噪声超标，需要通过风电场噪声控制来实现敏感点噪声达标。金风科技通过同步测试机组声功率级和敏感点声压级发现ISO9613标准中传播模型的地面因子如和现场实际情况接近的取值时，计算的声压级低于实际测试声压级达3dBA多，导致采用ISO9613标准计算达标的敏感点声压级在实际测试中超标。金风科技根据现场测试数据对ISO9613标准平坦地形模型进行了修正验证，修正后的模型和实际测试声压级偏差在1.5dBA以内。2.2　风电场噪声控制准确的风电场噪声计算是风电场噪声控制的前提，风电场噪声控制只能控制叶片气动噪声，通过控制不同机组的额定转速实现敏感点声压级达标。目前行业应用最多的风电场噪声控制是采用静态控制，假设整个风场所有机组都运行在最大声功率级对应的工况，如果某些敏感点声压级超标，降低周围机组的声功率级，使敏感点声压级达标。金风科技采用发电量优化算法结合1.2节中的单机控制策略保证敏感点声压级达标的同时，发电量损失最小。为了进一步减小发电量损失，金风科技开发了动态风电场噪声控制技术，针对平坦地形，根据昼夜敏感点不同的噪声限值要求和实时风况，实时优化控制风电场风机，实现发电量损失的进一步降低。3　结束语本文介绍了风电机组噪声的评价参数、主要噪声源、整机声功率级的计算方法和现场测试的环境影响，说明了风电机组的噪声具有跨学科的复杂性和受现场环境影响的高度不确定性。低噪声机组设计需要在深入理解主要噪声来源和降噪技术，以及准确的降噪效果评估的基础上才能实现。降低叶片气动噪声的研究工作虽然很多，但目前仍只有锯齿尾缘和降低额定转速两种技术是现场验证有效可应用的。锯齿尾缘降噪效果虽然已经得到广泛的验证，但锯齿尾缘的降噪效果的准确计算仍受限于各种影响因素。降低额定转速降噪的控制策略需要精心设计才能保证降噪达标的同时发电量损失最小。主动降噪技术目前并不适合在风电机组上应用。风电场级噪声控制只针对叶片气动噪声有效。风电场噪声的影响因素较多，如单台风电机组的声功率级、机位点和敏感点位置、地形和气象条件等，多种因素是强耦合的，不能割裂开来单独进行研究，准确的风电场噪声传播模型是风电场噪声控制的关键。单台风电机组的控制策略降噪和风电场级控制降噪都不可避免的要损失发电量，在降噪的同时尽量保证发电量或减小发电量损失是风电场噪声解决方案的关键点。